胡家瑋, 王 聰, 雷廣軍, 溫 波

(1. 蘭州理工大學(xué), 甘肅 蘭州 730050; 2. 甘肅公航旅路業(yè)有限公司, 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,公路鐵路隧道建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展時期。根據(jù)中國交通運(yùn)輸部2022年發(fā)布的《2022年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示,截至2022年底,全國公路隧道24 850處,總里程為26 784.3 km。其中,特長隧道1 752處,里程為7 951.1 km;長隧道6 715處,里程為11 728.2 km。但在建或已通車的隧道基本都存在一定的問題,如滲漏水、凍害、襯砌的侵蝕和斷裂等[1],其中隧道滲漏水[2-3]問題最為常見。隧道滲漏水會導(dǎo)致隧道電氣系統(tǒng)及設(shè)備受到影響,如通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、交通指示標(biāo)識等方面的影響。低溫時路面結(jié)冰會影響隧道車輛的安全通行,同時滲漏水也會導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的表面水壓力急劇增加,導(dǎo)致隧道變形、塌方等,使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低,進(jìn)而嚴(yán)重威脅到隧道的運(yùn)營安全[4]。影響隧道滲漏的重要因素分別是襯砌系統(tǒng)的完整性和防排水體系的完整性,隧道排水系統(tǒng)堵塞是導(dǎo)致隧道滲漏水的重要原因之一[5]。導(dǎo)致隧道堵塞的因素有很多,包括地下水滲流到隧道排水管形成的化學(xué)沉淀結(jié)晶物[6]、地下水滲流沖擊圍巖碎屑導(dǎo)致的沉積堵塞、地下水滲流攜帶泥砂進(jìn)入隧道排水管、植物及微生物在隧道排水管內(nèi)的生長等。

隧道排水管道結(jié)晶問題在全球范圍內(nèi)普遍存在。國外研究集中在新材料、新技術(shù)研發(fā)上,如聚合物材料、超聲波、電化學(xué)等,以及如何將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用。國內(nèi)研究相對較少,主要針對藥劑注入、加熱和超聲波等消解結(jié)晶方法。目前的研究普遍缺乏數(shù)據(jù)支撐,新材料和新技術(shù)還需進(jìn)一步驗(yàn)證,在實(shí)際工程中的有效應(yīng)用仍需探討。本研究側(cè)重于如何將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用。

目前,處理隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶問題的主要方法有: 1)機(jī)械法。如高壓水槍射流法、刮刀切削法[7],該類方法較為簡便,但無法將結(jié)晶物處理干凈且存在水壓過高破壞管壁或刮刀切削破壞管壁的現(xiàn)象。2)物理法。如磁處理技術(shù)、超聲處理技術(shù)[8]、高壓靜電場處理技術(shù)[9]等,但磁處理使用效果不穩(wěn)定,超聲處理需要管道外置換能器,高壓處理耗費(fèi)能源較多。3)生物法[10]。主要是利用CA(碳酸酐酶)轉(zhuǎn)化CO2從而促進(jìn)結(jié)晶物溶解,但實(shí)際操作難度大,細(xì)菌難以培養(yǎng),故少有實(shí)際工程應(yīng)用。4)化學(xué)法。如酸洗法、絡(luò)合法[11]、綜合法等。酸洗法通過酸堿中和原理將不溶的結(jié)晶垢成分轉(zhuǎn)化為可溶性的陰、陽離子和二氧化碳;絡(luò)合法通過絡(luò)合劑與結(jié)晶物反應(yīng),生成更穩(wěn)定的易溶于水的絡(luò)合物;綜合法是將酸、絡(luò)合劑、表面活性劑等組合起來的處理方法?；瘜W(xué)法處理效果明顯、易于操作、可行性高、不需要外置裝置,故選擇化學(xué)法來處理隧道結(jié)晶體。但采用現(xiàn)有化學(xué)法來治理隧道排水結(jié)晶的案例較少,所制備的除垢劑也存在較多問題: 1)加藥量大。如馬殷軍[12]選擇的除垢劑配方為30%甲酸、10%檸檬酸、1.0%～1.5% V98增稠潤滑劑,除垢劑有效成分占比僅約40%。2)除垢率低。如胡艷雄等[13]配置的除垢劑配方在20～30 ℃時的除垢率僅約67%;隨著溫度提高至50 ℃,除垢率提高至約78%。3)反應(yīng)時間長、反應(yīng)溫度高。如蔣雅君等[14]制備的有機(jī)酸清洗劑,100 mL的持續(xù)飽和清洗劑對結(jié)晶物的溶解速度約0.7 g/h;汪昊等[15]配制的除垢劑配方實(shí)驗(yàn)室最佳使用條件是氨基磺酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%,聚天冬氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,反應(yīng)時間為9 h,反應(yīng)溫度為60 ℃。

針對隧道已有結(jié)晶堵塞問題,測試不同類型除垢劑及其復(fù)配后的處理效果,探究除垢劑的除垢機(jī)制,以期能夠?yàn)樗淼澜Y(jié)晶堵塞提出一種更快速高效的除垢劑解決方案。

1 工程概況

依托工程毛埡山隧道位于甘肅省康縣至略陽高速公路望關(guān)至白河溝段,全長3 180 m。隧道為整體式明洞襯砌和復(fù)合式襯砌結(jié)合隧道,初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)排水管道和防水卷材,最大埋深約170 m。隧址海拔為1 209.5～1 846 m,屬構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)地貌。該段路線多年平均降水量為8 07.5 mm,年最大、最小降水量分別為1 162.2 mm和494.6 mm,多年平均蒸發(fā)量為885 mm。 實(shí)驗(yàn)樣品取自毛埡山隧道LK3+080～+330段,分段長度為250 m,埋深為50～170 m。洞身本體巖石性質(zhì)為志留系娟云-黑云母千枚巖,圍巖級別為V級,巖體較破碎,洞身穿越山嶺,匯水條件好,坡面沖溝均有滲水及流水,洞身段地下水為基巖裂隙水,地下水豐富。

2 材料與方法

2.1 垢樣成分分析

在隧道LK3+200處進(jìn)行結(jié)晶體收集,現(xiàn)場結(jié)晶體呈乳白色,表面較光滑。據(jù)現(xiàn)場施工人員介紹,結(jié)晶早期呈黏稠的糊狀,后期逐漸硬化;主要分布于初期支護(hù)噴射混凝土排水管口附近表面、排水管內(nèi)等地方;管口附近晶體與水流方向重合,呈條狀或傘面狀分布;晶體在后期聚集并硬化,在排水管附近以塊狀固體的形式堵塞排水管。不同排水管內(nèi)水質(zhì)、溫度、pH值、流速等條件不同,結(jié)晶堵塞情況不同?，F(xiàn)場取樣及隧道結(jié)晶情況如圖1所示。

從排水管中獲得白色的水垢樣品并進(jìn)行干燥,通過掃描電子顯微鏡(SEM)和能量分散型X射線光譜(EDS)對其成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,晶體大多為立方體,還有一些紡錘形、菱形和球形顆粒。垢樣掃描電鏡圖像如圖2所示。垢樣X射線光譜表征如圖3所示。

(a) 現(xiàn)場取樣

(b) 拱腰處結(jié)晶體溢出

(a)

(b)

圖3 垢樣X射線光譜表征

以上結(jié)果均表明,毛埡山隧道排水管道中結(jié)晶物的主要成分為碳酸鈣晶體,故后續(xù)實(shí)驗(yàn)室模擬中所采用的垢樣為碳酸鈣粉末。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥劑

除垢率計算采用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干稱重的失重法。

本實(shí)驗(yàn)中所用主要實(shí)驗(yàn)藥劑如表1所示,主要實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 實(shí)驗(yàn)思路

由于藥劑間存在協(xié)同作用,多種藥劑聯(lián)用可以提高除垢率,因此采用主劑加輔劑的形式對結(jié)晶物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并利用響應(yīng)面優(yōu)化法尋找最優(yōu)除垢劑配方比。

酸性條件下,為使除垢劑的除垢率在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時也有較高效果,并能夠發(fā)揮不同藥劑之間的協(xié)同效應(yīng),同時控制腐蝕和水垢結(jié)晶的形成,故選取主劑為常見的固體除垢劑,如草酸、檸檬酸、氨基磺酸[16]、HEDP、AMPS[17];輔劑選擇水溶液pH值較低的緩蝕阻垢劑AA/AMPS、PAPEMP、HPMA、MA/AA、DTPMPA[18]、PBTCA[19]。

配制好除垢劑后,應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化除垢劑組分配比,并進(jìn)行金屬腐蝕性和管道損失率測試,評估配方適用性,確保使用除垢劑不會對管道造成明顯損傷。

2.3.2 除垢劑溶液的制備

反應(yīng)溫度20 ℃、反應(yīng)時間1 h下優(yōu)選主劑,先將草酸、HEDP、檸檬酸、氨基磺酸和AMPS分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%、10%、12%置于250 mL錐形瓶中;然后將主劑分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的AA/AMPS、PAPEMP、HPMA、MA/AA、DTPMPA和PBTCA混合成100 g溶液,以確定1號輔劑;再配置一定濃度主劑和1號輔劑、2號輔劑共100 g,重復(fù)以上步驟,篩選2號輔劑。

2.3.3 除垢率計算

將碳酸鈣垢樣在100 ℃溫度下烘干,烘干后儲存在干燥器中備用。在250 mL錐形瓶中配制100 g除垢劑,稱取5 g碳酸鈣垢樣后置于250 mL錐形瓶中,恒溫水浴鍋反應(yīng)一定時間后取出并過濾。將濾紙從干燥器中取出稱重,并用蒸餾水多次沖洗錐形瓶和濾紙,直至濾液澄清,將附著剩余物質(zhì)的濾紙在100 ℃下烘干2 h,取出放入干燥器恢復(fù)至室溫后稱重。除垢率

(1)

式中:m1為碳酸鈣垢樣的質(zhì)量, g;m2為烘干后承載著剩余物質(zhì)的濾紙的質(zhì)量,g;m3為烘干后濾紙的質(zhì)量, g。

2.3.4 管道腐蝕實(shí)驗(yàn)

為評估除垢劑對排水管道和鋼筋的腐蝕影響,進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)研究。

1)鋼筋腐蝕實(shí)驗(yàn)。由于未從現(xiàn)場獲得鋼筋樣品,所以用低碳鋼A3鋼片來替代,采用靜態(tài)失重法測定除垢劑對標(biāo)準(zhǔn)A3鋼片的腐蝕情況。先用夾子將鋼片樣品夾在干凈的濾紙上,用蘸有蒸餾水的脫脂棉擦洗,接著用蒸餾水清洗15 s后再放入無水乙醇中用脫脂棉擦洗2次;然后將清洗過的鋼片放在干凈濾紙上,吹干后置于100 ℃干燥箱中2 h;最后對鋼片進(jìn)行稱重。分別將100 g除垢劑放入3個250 mL錐形瓶中,標(biāo)記為1號、2號、3號;然后將A3鋼片樣品放入錐形瓶中并密封后,放入20 ℃恒溫水浴6 h后取出,觀察腐蝕效果;最后清洗鋼片并稱重,來計算腐蝕率。

2)排水管道腐蝕實(shí)驗(yàn)。選擇常用于隧道排水系統(tǒng)的高密度聚乙烯(HDPE)管和塑料盲溝管進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)研究。將管道置于除垢劑中浸泡3、7、10、14 d,稱量浸泡前后樣品的質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)步驟同A3鋼片浸泡過程,計算腐蝕率。

3 結(jié)果與討論

3.1 主劑選擇實(shí)驗(yàn)

對草酸、檸檬酸、氨基磺酸、HEDP、AMPS藥劑添加情況進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1.1 草酸與碳酸鈣的反應(yīng)

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)草酸溶液反應(yīng)后剩余垢樣質(zhì)量對比如圖4所示。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)草酸溶液反應(yīng)后剩余垢樣質(zhì)量對比

草酸與碳酸鈣的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

H2C2O4+CaCO3=CaC2O4↓+CO2↑+H2O。

(2)

生成的草酸鈣(CaC2O4)不溶于水,所以干燥后的沉淀物質(zhì)量超過了原來5 g的碳酸鈣。

由圖4可知: 1)隨著草酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,剩余沉淀物的質(zhì)量也在增加。2)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%草酸溶液反應(yīng)后的殘垢質(zhì)量最小,可能包含未反應(yīng)的CaCO3和CaC2O4。3)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～10%的草酸溶液反應(yīng)后,殘存質(zhì)量相似(約6 g),這部分主要是反應(yīng)產(chǎn)生的CaC2O4。4)根據(jù)上述反應(yīng),5 g的CaCO3轉(zhuǎn)化為4.5 g的CaC2O4,即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的草酸溶液足以與所有的CaCO3反應(yīng),所以更高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的草酸溶液沒有起到更好的處理效果。5)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的草酸在實(shí)驗(yàn)條件下不能完全溶解,所以沒有顯示結(jié)果。

3.1.2 HEDP與碳酸鈣的反應(yīng)

HEDP是有機(jī)磷酸,化學(xué)式為C2H8O7P2,可與Ca2+反應(yīng)生成Ca3(PO4)2,是一種有機(jī)磷酸鹽-鈣膏復(fù)合物。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)HEDP溶液反應(yīng)后剩余垢樣對比如圖5所示。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)HEDP溶液反應(yīng)后剩余垢樣對比

由圖5可知: 1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的HEDP溶液反應(yīng)后,剩余垢樣顯示出類似效果。2)HEDP溶液剩余垢樣質(zhì)量隨著溶液濃度的增加呈線性增加,與草酸結(jié)果不同。3)由于草酸和HEDP在與CaCO3反應(yīng)后都導(dǎo)致剩余質(zhì)量增加,所以HEDP與CaCO3被排除。

3.1.3 檸檬酸、氨基磺酸、AMPS的除垢率對比

檸檬酸、氨基磺酸、AMPS的除垢率對比如圖6所示。

圖6 檸檬酸、氨基磺酸、AMPS的除垢率對比

由圖6可知: 1)剩余3種除垢劑起除垢作用的均為電離出的H+,但效果存在差異。2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時,氨基磺酸除垢率低于檸檬酸,為21.54%,但高于AMPS。3)氨基磺酸除垢率在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～8%時提升率固定,每1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)約提升10.1%,6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)后,氨基磺酸除垢率顯著高于另外2種除垢劑。4)10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)后,氨基磺酸除垢率趨于穩(wěn)定,達(dá)到98%以上。而檸檬酸和AMPS在10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時仍未出現(xiàn)斜率拐點(diǎn),證明還未添加至臨界量,達(dá)到除垢率上限所需添加量更多。5)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,氨基磺酸除垢率已接近100%,高于檸檬酸和AMPS的76.90%和60.39%。說明氨基磺酸在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時就可達(dá)到較高除垢率,滿足快速高效的除垢劑選擇要求。

氨基磺酸是一種白色固體粉末無機(jī)弱酸,化學(xué)式為NH2SO3H,具有磺酸基和氨基雙官能團(tuán),其水溶液酸性較其他無機(jī)強(qiáng)酸腐蝕性更低。綜合考慮除垢率和低的成本因素后,選擇氨基磺酸作為除垢劑主劑,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

3.2 輔劑選擇實(shí)驗(yàn)

選取緩蝕阻垢劑AA/AMPS、PAPEMP、HPMA、MA/AA、DTPMPA、PBTCA作為除垢的輔劑備選,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

3.2.1 不同輔劑影響下氨基磺酸的除垢率對比

不同輔劑影響下氨基磺酸的除垢率對比如圖7所示。

圖7 氨基磺酸在添加1%輔劑時的除垢率對比

由圖7可知: 1)在輔劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%時,6種輔劑的氨基磺酸混合溶液除垢率均高于87%,優(yōu)于單獨(dú)使用8%氨基磺酸的效果。2)DTPMPA除垢率最高,達(dá)到了96.18%。3)PAPEMP和PBTCA接近,分別為90.47%和90.73% 。4) AA/AMPS、MA/AA、HPMA較低,分別為88.95%、89.34%和87.47%。

原因如下: 1)PAPEMP、DTPMPA、PBTCA作為有機(jī)膦酸類緩蝕阻垢劑,均含有磷?；鶊F(tuán)-PO(OH)2,PBTCA還含有羧基-COOH,磷?；汪然ㄟ^螯合作用與鈣離子結(jié)合,增大了鈣離子在溶液中的濃度。2)從結(jié)構(gòu)式來看,1個DTPMPA分子(見圖8)含有5個磷?；鶊F(tuán)-PO(OH)2,1個PAPEMP分子(見圖9)含有4個磷?；鶊F(tuán)-PO(OH)2,1個PBTCA分子(見圖10)含有1個磷?；鶊F(tuán)-PO(OH)2和3個羧基-COOH; 1個磷酰基團(tuán)可以解離出2個H+與碳酸鈣反應(yīng),剩余的H+與Ca2+配對;而1個羧基基團(tuán)只能解離出1個H+與碳酸鈣反應(yīng),剩余H+再與Ca2+配對,所以DTPMPA擁有更多能跟碳酸鈣反應(yīng)的基團(tuán)。3)由于DTPMPA易溶于酸性溶液,與酸性溶液相性更好,因此DTPMPA也擁有比其他輔劑更好的與氨基磺酸協(xié)同的除垢性能,相比于未添加時除垢率增長了17.30%。

圖8 DTPMPA結(jié)構(gòu)式

圖9 PAPEMP結(jié)構(gòu)式

圖10 PBTCA的結(jié)構(gòu)式

3.2.2 輔劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

雖然DTPMPA作為輔劑效果很好,但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%DTPMPA和8%氨基磺酸混合溶液反應(yīng)后,會在瓶底留下一層難以用水沖刷掉的未溶解碳酸鈣,說明碳酸鈣在溶液中的分散性不好。為避免碳酸鈣再次形成沉淀影響處理效果,應(yīng)再選擇1種輔劑與DTPMPA和氨基磺酸復(fù)配。配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的氨基磺酸、0.5%DTPMPA和0.5%第2種輔劑的混合溶液,加入5 g碳酸鈣垢樣,在20 ℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)1 h后計算除垢率。加入第2種輔劑后DTPMPA和氨基磺酸的除垢率對比如圖11所示。

圖11 加入第2種輔劑后DTPMPA和氨基磺酸的除垢率對比

由圖11可知,PAPEMP作為第2種輔劑除垢率最高,其次是PBTCA、MA/AA、HPMA,AA/AMPS最低。

盡管加入PAPEMP的除垢率最高,但用水沖洗后,錐形瓶底部仍可觀察到沉淀物顆粒;而加入PBTCA,沉淀物可忽略不計。這是因?yàn)?PO(OH)2基團(tuán)對碳酸鈣有更好的除垢效果,但其分散效果不如-COOH基團(tuán)。綜合考慮除垢率和沉淀物剩余,將PBTCA定為第2種輔劑。

4 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

4.1 除垢劑配比響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

4.1.1 響應(yīng)面結(jié)果分析

制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～8.5%的主劑氨基磺酸(A)、0.2%～0.8%的1號輔劑DTPMPA(B)、0.2%～0.8%的2號輔劑PBTCA(C)的混合溶液,三者共100 g。采用Design-Expert軟件進(jìn)行三因素、三水平的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計,分析主劑、1號輔劑、2號輔劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對除垢率(L)的影響,建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析,以優(yōu)化除垢配方。實(shí)驗(yàn)影響因素水平如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)影響因素水平

固定反應(yīng)時間1 h,反應(yīng)溫度20 ℃,分析氨基磺酸(A)、DTPMPA(B)、PBTCA(C)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對除垢率(L)的影響。響應(yīng)面配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 響應(yīng)面配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

二次多項回歸方程

L=94.37+4.42A+3.18B+1.81C-0.78AB-0.49AC-0.61BC-0.63A2-0.33B2-0.10C2。

(3)

對回歸方程進(jìn)行方差分析,其結(jié)果如表5所示。

總體來看,模型可靠、誤差小,可以對除垢率實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。

4.1.2 各因素交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖

響應(yīng)面各因素之間交互效應(yīng)的大小可以利用等高線的形狀及其密集程度來進(jìn)行判斷。等高線呈現(xiàn)圓形、曲線稀疏說明交互作用弱,等高線呈現(xiàn)橢圓形、曲線密集說明交互作用強(qiáng)。

表5 方差分析及顯著性檢驗(yàn)

由于所得響應(yīng)曲面沒有最高點(diǎn),所以固定某一除垢率,從成本方面考慮較為合理。固定95%除垢率,優(yōu)化計算得出該除垢率下單位質(zhì)量(除垢劑投加量(g)/100 g溶液)最低成本的除垢劑配方。

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.382%的氨基磺酸、0.385%的DTPMPA、0.269%的PBTCA為例,各因素交互作用對除垢率影響的等高線和響應(yīng)曲面如圖12所示。

由圖12可知: 1)當(dāng)固定1個因素不變時,隨著另外2個因素的增加,除垢率均有所增加。2)針對不同曲面,每個因素在不同方向上對除垢率提升的貢獻(xiàn)是不同的。3)當(dāng)配比在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～8.5%的氨基磺酸、0.2%～0.8%的DTPMPA、0.2%～0.8%的PBTCA時,除垢率在85%～99.8%波動。4)除垢率85%的最低成本配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.754%的氨基磺酸、0.202%的DTPMPA、0.200%的PBTCA。5)除垢率90%的最低成本配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.144%的氨基磺酸、0.202%的DTPMPA、0.206%的PBTCA。6)除垢率95%的最低成本配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.382%的氨基磺酸、0.385%的DTPMPA、0.269%的PBTCA。7)除垢率99.8%的最低成本配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.500%的氨基磺酸、0.800%的DTPMPA、0.348%的PBTCA。

(a) 氨基磺酸和DTPMPA對除垢率的影響

(b) 氨基磺酸和PBTCA對除垢率的影響

(c) DTPMPA和PBTCA對除垢率的影響

實(shí)驗(yàn)室配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.500%的氨基磺酸、0.800%的DTPMPA、0.348%的PBTCA的除垢劑如圖13所示。模擬實(shí)際工程中的垢樣如圖14所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)室配制的除垢劑

圖14 模擬實(shí)際工程中的垢樣

將除垢劑與垢樣反應(yīng),在2～5 s內(nèi)即可看到垢樣表面產(chǎn)生明顯氣泡。加入除垢劑后的垢樣如圖15所示?？梢钥闯?一定時間后垢樣完全溶解。

圖15 加入除垢劑后的垢樣

4.2 除垢率95%時的除垢劑安全性實(shí)驗(yàn)研究

除垢率為95%時的最低成本配方,即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.382%的氨基磺酸、0.385%的DTPMPA、0.269%的PBTCA。

1號、2號、3號鋼片的腐蝕速率分別為1.390 1、1.405 5、1.423 1 g/(m2·h) 。從測試結(jié)果可以看出,腐蝕速率均小于GB/T 25146—2010《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》對于化學(xué)清洗的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證結(jié)果的要求(2 g/(m2·h)),所以該除垢劑配比能滿足對金屬傷害小、腐蝕性低的應(yīng)用要求。

HDPE排水管和塑料盲溝管試樣浸泡實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量損失如表6所示?？梢钥闯?HDPE排水管與塑料盲溝管在除垢劑中浸泡14 d前、后的質(zhì)量損失比分別為0.2%與0.25%左右。由于實(shí)際除垢時除垢劑與管道接觸時間沒有這么長,處理完后也會進(jìn)行廢液收集,所以該配比下的除垢劑對HDPE排水管和塑料盲溝管的溶解性可忽略不計。

HDPE排水管的掃描電鏡SEM照片如圖16所示?？梢钥闯? 1)浸泡前的HDPE管表面粗糙,表面凸起分布較為集中,局部零星分布、凸起邊緣發(fā)亮。2)浸泡14 d后,HDPE管表面較為平整,凹坑零星分布,凹坑外側(cè)較為光滑。

(a) 浸泡前

(b) 浸泡14 d后

塑料盲溝管的掃描電鏡SEM照片如圖17所示。可以看出: 1)浸泡前的塑料盲溝管表面凹陷較多,分布較為集中,局部零星分布、凸起發(fā)亮。2)浸泡14 d后,塑料盲溝管表觀稍有粗糙,表面紋理不清晰,整體性較好,顏色較為單一。

綜上,除垢劑對HDPE排水管和塑料盲溝管表面結(jié)構(gòu)有一定影響,但沒有對深層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穿孔性破壞。

4.3 除垢率95%時的除垢劑除垢性能研究

4.3.1 反應(yīng)后溶液中Ca2+含量變化

在20 ℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)1 h后,測定溶液中鈣離子的含量為18 900 mg/L。若5 g碳酸鈣全部溶解在100 g除垢劑中,溶解的鈣離子含量約為20 000 mg/L。用去掉輔劑前鈣離子含量18 900 mg/L除以20 000 mg/L,得到94.5%的鈣離子溶解率,與95%的除垢率接近,側(cè)面印證了該配比的除垢劑將碳酸鈣轉(zhuǎn)化為可溶性鈣離子的能力很強(qiáng)。

(a) 浸泡前

(b) 浸泡14 d后

4.3.2 使用碳酸鈣替代實(shí)際結(jié)晶沉淀物的合理性分析

實(shí)驗(yàn)條件保持不變,用5 g實(shí)際排水結(jié)晶沉淀物(依托毛埡山隧道工程下的實(shí)際結(jié)晶沉淀物)代替5 g碳酸鈣,除垢率為92.80%?？紤]到反應(yīng)后溶液中還混有細(xì)小的碎石和石子,實(shí)際除垢率應(yīng)在93%以上,與碳酸鈣實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。

原始樣經(jīng)分析是以鈣類物質(zhì)為主,主要以碳酸鈣形式的結(jié)晶體呈現(xiàn),所以用碳酸鈣粉末作為實(shí)驗(yàn)室模擬垢樣能夠更好地反映實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。需要注意的是,以碳酸鈣為主的結(jié)晶體僅代表某些地區(qū)隧道的結(jié)晶體類型,如本研究依托的毛埡山隧道工程。該隧道排水管道中的結(jié)晶物含水率較大,硬度也較低,利用烘干后的碳酸鈣粉末作為模擬垢樣是能夠模擬實(shí)際結(jié)晶體的,但并不能完全代替其他地區(qū)隧道中產(chǎn)生的結(jié)晶物。

4.3.3 溫度影響研究

溫度對除垢率的影響如圖18所示?？梢钥闯?隨著溫度的升高除垢率上升幅度極小,除垢率從10 ℃時的94.5%提高到30 ℃的95.17%,變化幅度在1%以內(nèi),表明研發(fā)的除垢劑具有良好的溫度適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

圖18 溫度對除垢率的影響

5 結(jié)論與討論

1)氨基磺酸作為主劑,配合輔劑DTPMPA和PBTCA的復(fù)配除垢劑效果最佳。當(dāng)氨基磺酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～8.5%、DTPMPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%、PBTCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%時,除垢率為85%～99.8%。

2)該除垢劑配方主要針對的是隧道排水管道中以碳酸鈣為主要成分的結(jié)晶物。由于隧道排水結(jié)晶物因環(huán)境各異而不同,無法做到適用于所有類型的管道結(jié)晶物。

3)研發(fā)的除垢劑具備現(xiàn)有除垢劑沒有的優(yōu)點(diǎn),如適應(yīng)在隧道多變環(huán)境溫度下使用、對排水管道腐蝕性較低、所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、除垢快速高效等。

4)研究隧道排水管道結(jié)晶物的去除,可以保持排水系統(tǒng)暢通、節(jié)約運(yùn)行成本、延長使用壽命和預(yù)防事故發(fā)生。

5)研發(fā)控制隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的除垢劑,需充分調(diào)研需求并綜合考慮組分、形成機(jī)制、應(yīng)用場景等因素,引入前沿技術(shù)并進(jìn)行多角度評估,最后在實(shí)地試驗(yàn)中調(diào)整和改進(jìn)除垢劑的配方、配比和使用方式。